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建功“十项行动”|袁志好课题组:基于富含氧空位的SrCoOx材料构建场效应晶体管型传感器,实现对超强碱性溶液的pH检测
2023-10-31 17:46  

背景介绍

pH是化学世界中最有名和最有用的概念之一,其准确测量对化学反应、细胞活动、环境监测以及冶金、半导体、药物、造纸、纺织等工业过程中至关重要。测量pH最常见的手段是使用玻璃电极构造的pH计,但pH计存在部件易碎、信号不稳定、且需要频繁校准等不足,近几十年来,一些新型的pH传感器(如荧光型、电化学型、半导体型等)也已被广泛研究,并应用于多种环境下的pH测量。然而,对于传统的pH计及大多数新开发的pH传感器而言,其pH测量范围一般在 0-14之间,不适合强酸碱溶液的pH检测,特别是超强碱性(OH-≥ 10M)溶液。因此,设计开发可用于超强碱性溶液中pH测量的传感器很有必要。

成果简介

在本工作中,作者采用了一种电解质门控场效应晶体管(FET)策略,利用富含氧空位缺陷的具有非化学计量比的SrCoOx作为通道材料,用以检测超强碱性溶液的pH。SrCoOx通道材料可以提供大量有效的氧离子迁移位点,在电场驱动下实现了OH-↔ O2-+ H+的可逆转化。所得的电解质门控FET传感器对高浓度碱性溶液(1-20 M)显示出敏感的线性响应。值得注意的是,考虑到离子活度系数数据,该传感器能够直接指示pH值在14.0到17.0范围内的碱性溶液。这项工作为直接检测碱浓度以及极端碱性溶液中的pH值提供了巨大的可能性。

图文导读

非整比化合物SrCoOx材料晶体结构中含有丰富的氧空位(Vo),大量Vo缺陷有序地构成氧离子(O2-)通道。利用SrCoOx晶体材料中O2-离子的可逆的嵌入-脱出行为,可以构建场效应晶体管型pH传感器,用于探测超强碱性溶液的酸碱度。



图1. (a) SrCoOx材料的晶体结构,以及通过O2-离子嵌入和脱出实现Vo缺陷变化的示意过程。(b) SrCoOx基FET pH传感器的示意图。SrCoOx晶体材料薄膜作为FET器件的通道材料,在电场作用下,可以实现强碱性溶液OH-中O2-离子的可逆地、快速地嵌入脱出。SrCoOx基FET器件的电阻响应与7-14范围的溶液pH值呈现良好的线性关系。


图2. (a) SrCoOx在不同处理条件下的XRD谱图。图中提供了SrCoO2.5和SrCoO3的“指纹”峰变化的详细信息,左右两个小图中展示了相关区域的详细数据。(b) 检测1M NaOH溶液时,FET器件上SrCoOx薄膜的实时电阻变化。(c)对称构建SrCoOx电解池的CV曲线,电解质为1 M NaOH。(d) FET传感器中SrCoOx通道材料对pH值 7-14范围溶液的电阻响应。

SrCoOx基FET器件的电阻响应,随着碱性溶液浓度的增加(1M ~ 20 M),呈现指数型下降趋势,且具有良好稳定性,与抗离子干扰能力。器件表现出灵敏、稳定的超强碱度检测能力。


图3. (a) 基于SrCoOx材料的FET传感器对不同浓度NaOH溶液的瞬态响应行为。(b) SrCoOx基FET传感器的电阻随NaOH浓度的变化。(c)SrCoOx基FET传感器检测1 M和10 M浓度NaOH溶液的重复性测试。(d) SrCoOx基FET传感器对Na+、K+、Cl、SO42−和NO3离子的抗干扰能力;图中所有盐的浓度均为1 M。

SrCoOx基FET pH传感器对14~17范围的溶液pH值呈现多元线性关系,且具有良好的稳定性与重复性。


图4. (a) SrCoOx基FET pH传感器对超强碱性NaOH溶液(pH>14)的电阻响应。(b) SrCoOx基FET pH传感器对超强碱性溶液的瞬态响应及可重复性测试。pH=14,15,16,17。

作者简介



齐高璨简介:天津理工大学公海赌555000gh副教授,硕士研究生导师,天津市“131”创新性人才培养工程第三层次人才。主要从事低维纳米材料的结构与表面化学调控,及其在催化、能源、自清洁功能领域应用方面的研究。已在Angew. Chem. Int. Ed.、J. Am. Chem. Soc.、Small、Sep. Purif. Technol、Nanoscale等材料化学与物理方向著名杂志发表论文三十余篇。主持与参与国家自然科学基金项目三项,天津市基础研究重点项目二项,中海油等企业横向研发课题五项,获批发明专利多项。



袁志好简介:天津理工大学公海赌555000gh教授,博士生导师,天津理工大学绿色纳米技术研究院院长,国务院特殊津贴专家,天津市特聘教授。主要从事无机功能纳米材料及其绿色应用技术的研究。承担包括国家“973”项目、科技部变革性技术重大专项、国家自然基金重点和面上项目、天津市科技攻关项目等30余项,在Adv Mater、Angew Chem、Adv Func Mater、Adv Energy Mater等发表论文200余篇,合作出版学术专著3部。研究成果分别获天津市自然科学奖、“全国首届博士后创新创业大赛总决赛”金奖,全国创新创业优秀博士后。

文章信息

Zhou H, Qi G, Li W, et al. Electrolyte-gated SrCoOx FET sensor for highly sensitive detecting pH in extreme alkalinity solution. Nano Research, 2023,https://doi.org/10.1007/s12274-023-6148-2.


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